(57)【要約】【課題】  従来の大型化、大電力化、エネルギーの可変性等の改良余地が残されている問題を解決したイオン注入装置を提供する。【解決手段】  イオン源２０と、このイオン源２０からのイオンの低エネルギー入射が可能な第１のＩＨ型線形加速器３０と、この第１のＩＨ型線形加速器３０に直列的に接続される第２のＩＨ型線形加速器４０とを備え、イオン注入エネルギーを完璧に可変とするように構成した。  この場合、イオン源２０として、大気圧型ターミナル２２を具備したＥＣＲイオン源２０を用い、第１及び第２のＩＨ型線形加速器３０、４０としては、それぞれ、ＡＰＦ−ＩＨ（四重極収束系を含む）型線形加速器とするとよい。【選択図】  図１
2006012574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源と、
このイオン源からのイオンの低エネルギー入射が可能な第１のＩＨ型線形加速器と、
この第１のＩＨ型線形加速器に直列的に接続される第２のＩＨ型線形加速器とを備え、
イオン注入エネルギーを可変とするようにしたことを特徴とするイオン注入装置。
【請求項２】
前記イオン源として、該イオン源から供給されたイオンを上記第１のＩＨ型線形加速器入射に適したエネルギーにするために、イオンを加速する絶縁された大気圧型ターミナルを具備したＥＣＲイオン源を用い、
上記第１及び第２のＩＨ型線形加速器としては、それぞれ、ＡＰＦ−ＩＨ（四重極収束系を含む）型線形加速器としたことを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造用等に用いられ、イオン源とイオン加速装置とにより構成されるイオン注入装置に係り、特に、イオン注入エネルギーを完璧に可変とするとともに、更に、小型化、省電力化したイオン注入装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
先ず、従来のイオン注入装置について、図５を用いて説明する。
図５は、従来のイオン注入装置、及び、半導体製造装置等の照射装置の配置を示した平面図である。
【０００３】
図５に示すように、従来のイオン注入装置１００は、主要構成として、イオンを生成するイオン源１１０、イオン源１１０から供給されたイオンを、所望のエネルギーに加速する加速装置１２０より構成されている。
また、同図において、１３０は、半導体製造装置等の照射装置、１４０は粒子分析機である。
【０００４】
次に、従来のイオン注入装置１００の主要構成である、イオン源１１０及び加速装置１２０について、詳細に説明する。
先ず、従来のイオン注入装置１００が用いているイオン源１１０について説明する。
イオン源とは、主として、中性原子から電子を剥ぎ取り、イオンを生成する装置であるが、従来装置１００では、イオン源１１０として、ＰＩＧ型イオン源、デュオプラズマイオン源、或いは、電子衝撃型イオン源等が用いられている。
【０００５】
一方、従来装置１００が用いている加速装置１２０には、静電型加速器、マルチセル型線形加速器等が使用されている。
なお、線形加速器については、特許文献１及び２を参照されたい。
また、粒子分析機１４０は、イオンの電荷、質量、エネルギーの違いにより、磁場又は電場中での曲がり方に違いがあるのを利用して、所望の価数のイオンを選択する装置である。
【０００６】
ところで、従来のイオン注入装置において、加速装置に静電型加速器を用いている静電型イオン注入装置では、静電型加速器に印加する電圧が５００ｋＶを超えると、絶縁ガスを満たした高圧容器中に収納する必要があり、このため、イオン源の設置スペースが小さく、また、メンテナンスが容易ではないため、基礎研究用に使用されるのみで、実用化に問題があった。
【０００７】
このため、現在では、負イオンを入射して、中間で電子を剥ぎ取って正イオンに転換して、２重に加速するようにしたタンデム型静電加速器を加速装置に用いたイオン注入装置が利用されているが、この場合、電流の弱い負イオンを入射すること、更に、荷電変換することでイオン電流が減ること、引加電圧を１ＭＶ以上にすると、大型化するという問題点があった。
【０００８】
また、従来のイオン注入装置において、加速装置として、マルチセル型線形加速器を用いたものでは、１セルの加速空胴を多数取り付けることにより、注入イオンのエネルギーが可変であることが特徴であった。
しかし、１セルの電力効率が悪く、多数のセルがあるため、全体の制御系が複雑化し、また、大型化するという問題点があった。
【０００９】
この問題を解決するために、発明者らは、特許文献３に開示される内容の発明を特許出願している。
特許文献３の発明の内容を簡単に説明すると、イオン源として、ＥＣＲイオン源を用い、かつ、イオン加速装置として、ＩＨ型線形加速器を用いるように構成すると、イオン注入装置の小型化、省電力化でき、エネルギーの変更にも容易に対応できる。
また、ＩＨ型線形加速器としては、ＡＰＦ収束及び補助的に四重極収束機能を備えたＩＨ型線形加速器とすると、イオン注入装置を更に、小型化、省電力化することが可能となるというものである。
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−３２９６００
【特許文献２】特開２００３−０５９６９９
【特許文献３】特願２００３−３１０９２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献３に記載された、上記ＥＣＲイオン源と、イオン加速装置として単一のＩＨ型線形加速器をを組み合わせたイオン注入装置では、大型化、大電力化、エネルギー可変の従来技術の解決に関しては、更に、改良の余地が残されていた。
【００１２】
本発明は、上記従来の大型化、大電力化、エネルギーの可変性等の改良余地が残されている問題を解決したイオン注入装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のイオン注入装置は、請求項１に記載のものでは、イオン源と、このイオン源からのイオンの低エネルギー入射が可能な第１のＩＨ型線形加速器と、この第１のＩＨ型線形加速器に直列的に接続される第２のＩＨ型線形加速器とを備え、イオン注入エネルギーを可変とするように構成した。
【００１４】
請求項２に記載のイオン注入装置では、前記イオン源として、該イオン源から供給されたイオンを上記第１のＩＨ型線形加速器入射に適したエネルギーにするために、イオンを加速する絶縁された大気圧型ターミナルを具備したＥＣＲイオン源を用い、上記第１及び第２のＩＨ型線形加速器としては、それぞれ、ＡＰＦ−ＩＨ（四重極収束系を含む）型線形加速器とした構成とした。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のイオン注入装置は、上述のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、静電型では５００ｋＶ（キロボルト）以上は大気型ターミナルにできないのに対して、線形加速器長１ｍで、３ＭＶ（メガボルト）程度を発生することができるので、従来装置よりも、エネルギー可変性に優れ、小型の高エネルギーイオン注入装置とすることができる。
（２）また、ＩＨ型線形加速器を２台直列に接続しているために、低エネルギーのイオンを所望のエネルギーに加速でき、イオン注入エネルギーを完璧に可変とするとともに、更に、小型化、省電力化できる。
【００１６】
（３）請求項２に記載したように構成すると、一層、小型の高エネルギーイオン注入装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のイオン注入装置の一実施の形態を図１乃至図４を用いて説明する。
図１は、本発明のイオン注入装置の配置を示す平面図である。
図２は、本発明のイオン注入装置に用いるＩＨ線形加速器を説明するための一部裁断斜視図である。
図３は、ＡＦＰ収束の原理を説明する側面図である。
図４は、本発明のイオン注入装置に用いるＥＣＲイオン源を説明するための側面図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明のイオン注入装置１０は、主要構成としては、イオン源２０と、このイオン源２０から供給されたイオンを、低エネルギーで入射できる第１のＩＨ型線形加速器３０と、この第１のＩＨ型線形加速器３０に直列的に接続される第２のＩＨ型線形加速器４０とを備えている。
【００１９】
また、本実施の形態では、イオン源２０としては、大気圧型ターミナル２２を具備したＥＣＲイオン源を用い、また、２台のＩＨ型線形加速器３０、４０は、それぞれ、ＡＰＦ−ＩＨ型（四重極収束系を含む）線形加速器が用いられている。
【００２０】
以下、ＩＨ型線形加速器、ＡＰＦ収束、ＥＣＲイオン源、大気圧型ターミナルについて、順次、補足説明を行う。
ＩＨ型線形加速器とは、Interdigital-Hモード型線形加速器の略で、このＩＨ型線形加速器は、１９６０年から７０年代半ばにかけて、旧ソ連、フランス、ドイツで研究され、７０年末に、ドイツのミュンヘン工科大学が大形タンデム静電加速器の後段加速器として、高エネルギー領域（数ＭｅＶから）の加速に成功した。
【００２１】
１９８０年代初めから半ばにかけて、日本の東京大学原子核研究所における基礎研究を基に、東京工業大学原子炉工学研究所に、２台の重イオン専用のＩＨ型線形加速器が発明者らにより建設され、４重極電磁石による粒子収束機能を持った中エネルギー領域（陽子で240keV）からの加速に成功した。
【００２２】
また、発明者らは、１９９８年にＩＨ型線形加速器構造に低エネルギー領域での粒子収束に適した高周波四重極収束（ＲＦＱ）機能を組み込んだＩＨＱ型線形加速器で22keVの陽子を加速することに成功した。
【００２３】
更に、２００１年に、発明者らによって、ＡＰＦ収束構造を組み込んだ、ＡＰＦ−ＩＨ型線形加速器で10keVからの陽子を加速することに成功した。
【００２４】
次に、イオン源２０から供給されたイオンを、低エネルギーで入射できる第１のＩＨ型線形加速器３０の構造及びイオンを加速する加速原理について、図２を用いて説明する。
なお、この第１のＩＨ型線形加速器３０に直列的に接続される第２のＩＨ型線形加速器４０については、当該第１のＩＨ型線形加速器３０と同等であるために、その説明は割愛するものとする。
【００２５】
図２に、ＩＨ型線形加速器３０の内部構造を示す。
ＩＨ型線形加速器３０は、高周波加速器の一種で、主要構成は、空胴３２内にリッジ３４及びステム３６を介して、複数のドリフトチューブ３８が配置され、誘導電流により、このドリフトチューブ３８間に発生する強力な電界を利用して、イオンを加速するものである。
【００２６】
イオンが加速される高周波の位相の時に、イオンが丁度、ドリフトチューブ３８の間隙に来るように、高周波と上手く同期させることによって、矢印方向にイオンを加速する。
なお、イオンは加速されるとその速さが増大するので、それに合わせて、図２に示すように、ドリフトチューブ３８の長さもギャップ間隔も長くなるように工夫されている。
【００２７】
このＩＨ型線形加速器３０の構造の特徴は他の線形加速器に比較して、その加速電力効率が数倍から十数倍良いということである。
即ち、同じエネルギーに加速するために必要な電力は数分の１から十数分の１でよいことになる。
【００２８】
また、この特徴を利用すると、同じ電力で、数倍の加速電圧が発生し、数分の１の小型化が可能になることになる。
それに従い、投入電力も減じるために、省電力化が実現する。
10MeV以下のエネルギー領域では、このＩＨ型線形加速器３０が最も高い加速電力効率を持つことから、小型、省電力をを必要とする応用加速器にＩＨ型線形加速器３０が最適となる。
【００２９】
次に、ＡＰＦ収束について補足説明を行う。
ＡＰＦとは、Alternating  Phase  Focusの略で、線形加速器の加速位相(Phase)を正負と変化させることで、加速イオンの加速軸と、軸に直角な方向にイオンを収束して加速する方法である。
【００３０】
１９７０年代に、アルバレ型加速器で、低エネルギー陽子の収束、加速方法として、米国ロスアラモス研究所で研究されたが、１９８０年代初めに、ＲＦＱ型線形加速器が実用化し、それ以後は研究が行われなくなっていた。
【００３１】
小型、省電力型のＩＨ線形加速器３０の構造にＡＰＦ収束構造を付加することで、低エネルギーからの加速性を目的とした原理実証機が、２００１年に、東京工業大学の発明者らにより、10keVからの陽子を加速することに成功した。
このＡＰＦ収束原理が低エネルギーから可能であることが世界で始めて実証されたことになる。
【００３２】
図３を用いて、ＡＰＦ収束の原理について説明する。
図３において、Ｂはビーム、Ｆは電気力線である。
また、Ｌはドリフトチューブ３８間の加速電圧曲線で、ピークＰより左側が加速位相φが、φ＜０を、右側がφ＞０を表している。
【００３３】
図３（１）に示すように、ビームＢが、加速位相φ＜０のタイミングでドリフトチューブ３８間に差し掛かると、電気力線Ｆの矢印に示すように、軸方向に収束され、径方向に発散させられる。
【００３４】
一方、図３（２）に示すように、ビームＢが、加速位相φ＞０のタイミングでドリフトチューブ３８間に差し掛かると、電気力線Ｆの矢印に示すように、軸方向に発散され、径方向に収束させられる。
【００３５】
このように、ＡＰＦ収束を用いると、加速位相φとのタイミングを図れば、横方向収束が不要になり、上述したように、ＩＨ型線形加速器３０の小型化、前段加速が不要になって、電力効率が格段に向上するという利点を有している。
【００３６】
次に、ＥＣＲイオン源について、図４を用いて、補足説明を行う。
ＥＣＲイオン源は、１９６０年代に、フランスのグルノーブル研究所のジェラー氏により発明された、電子サイクロトロン共鳴により高温電子を発生させて、中性元素を多価イオン化するイオン源である。
【００３７】
図４に示すように、ＥＣＲイオン源２０は、プラズマチェンバー２２の外周にソレノイドコイル２４を配置して、このソレノイドコイル２４により、軸方向に２つのミラー磁場と半径方向に多極磁場を生成して、高温電子閉じ込めを行い、高周波電力を供給して、高強度の多価イオンを発生できる特徴がある。
現在、数多くの大型サイクロトロンのイオン源として利用され始めている。
【００３８】
このＥＣＲイオン源２０の特徴は、供給する高周波電力の周波数に対応して、ＥＣＲ磁場中において、供給される高周波電場とのサイクロトロン共鳴により加速される高温（高エネルギー）の電子が生成することである。
この高エネルギーの電子が、イオンや原子と衝突して、これらのイオンや原子中の電子を徐々に剥がして行き、多価イオンを生成する。
【００３９】
次に、大気圧型ターミナル２２について、図１を用いて説明する。
大気圧型ターミナル２２とは、イオン源２０から供給されたイオンを第１のＩＨ型線形加速器３０入射に適したエネルギーにするために、イオンを加速する絶縁された高電圧ターミナルである。
【００４０】
一般に、２０ｋＶから５００ｋＶまで印加することができ、図示は省略するが、イオン源２０を運転する諸電源、冷却装置を搭載している。
そのため、通常は、イオン源、その他の冷却液体と輸送、高圧への電力輸送のための大型絶縁トランスが必要であり、大型化する可能性がある。
【００４１】
しかし、その点、本実施の形態に用いる永久磁石型ＥＣＲイオン源２０では、必要電力が少ないために小型化が可能である。
従って、一層、小型の高エネルギーイオン注入装置１０とすることができる。      
【００４２】
上述したように、本発明のイオン注入装置１０は、ＩＨ型線形加速器３０、４０を２台直列に接続しているために、低エネルギーのイオンを所望のエネルギーに加速でき、イオン注入エネルギーを完璧に可変とするとともに、更に、小型化、省電力化できる。
【００４３】
また、イオン注入装置１０のイオン源２０として、大気圧型ターミナル２２を具備したＥＣＲイオン源２０を用い、初段加速された多価イオン（これは既存の中エネルギーイオン注入装置で代替できる）を低エネルギーから、２台の直列に並べられたＩＨ型線形加速器３０、４０で加速し、一層小型の入射装置で、超高エネルギーの重イオンを発生し、照射装置により半導体の製造が行える。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のイオン注入装置の配置を示す平面図である。
【図２】本発明のイオン注入装置に用いるＩＨ線形加速器を説明するための一部裁断斜視図である。
【図３】ＡＦＰ収束の原理を説明する側面図である。
【図４】本発明のイオン注入装置に用いるＥＣＲイオン源を説明するための側面図である。
【図５】従来のイオン注入装置、及び、半導体製造装置等の照射装置の配置を示した平面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０：イオン注入装置
２０：イオン源
２２：大気圧型ターミナル
３０：第１のＩＨ型線形加速器
４０：第２のＩＨ型線形加速器
１３０：照射装置
１４０：粒子分析機
【図１】
2006012574.tif 000003
【図２】
2006012574.tif 000004
【図３】
2006012574.tif 000005
【図４】
2006012574.tif 000006
【図５】
2006012574.tif 000007